JP2006300535A - 高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳｉＣからなる第３被覆層形成時に発生するノズル開口周りのＳｉＣ堆積物を容易に除去できて再利用が可能となる高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルの提供。
【解決手段】 反応容器の底部に嵌合されて反応容器底面中央部の少なくとも一部を構成する皿状ノズル本体と、該皿状ノズル本体を貫通して反応容器底面上の予め定められた位置に開口する複数のガス導入経路と、前記反応容器底部に嵌合状態にあるノズル本体の裏面側で反応容器外の被覆原料ガス供給源から反応容器まで延びるガス供給配管の端部に連通して前記ガス導入経路へ被覆原料ガスを供給する円筒状のガス流入口と、を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、ノズル本体の反応容器底面上のガス導入経路の開口周辺を含む所定領域に黒鉛コーティング層を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は例えば、高温ガス炉の装荷燃料を構成する被覆燃料粒子の製造装置に関するものであり、詳しくは、被覆層形成のための流動床からなる反応容器へガスを導入するためのノズルに関するものである。

高温ガス炉は、燃料を含む炉心構造を熱容量が大きく高温健全性の良好な黒鉛で形成し、ヘリウム等の高温下でも化学的反応の起こらないガス冷却材を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のヘリウムガスを取り出すことの可能な原子炉であり、得られる約９００℃の高温熱は、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等幅広い分野での熱利用を可能にするものである。

このような高温ガス炉の燃料は、通常、ウランを含む溶液を出発原料として製造した二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径約３５０〜６５０μｍの燃料核を基本構造とし、この燃料核の外表面に複数の被覆層を形成してなる被覆燃料粒子を用いたものである。

高温ガス炉では、例えば、第１被覆層として密度約１g/cm^３ の低密度熱分解炭素層を形成し、第２被覆層として密度約１．８g/cm^３ の高密度熱分解炭素層を形成し、さらに第３被覆層として密度約３．２g/cm^３ 炭化珪素（SiＣ）層を、また第４被覆層として密度約１．８g/cm^３ の高密度熱分解炭素層を形成した計４層の被覆を施されたものが一般的となっている。

第１被覆層は、ガス状の核分裂生成物のガス留めとしての機能及び燃料核の変形を吸収する緩衝部としての機能を併せ持つものである。また第２被覆層はガス状核分裂生成物の保持機能を有し、第３被覆層は固体状核分裂生成物の保持機能を有すると共に、被覆層の主要な強度部材である。第４被覆層は、第２被覆層と同様のガス状核分裂生成物の保持機能と共に第３被覆層の保護層としての機能も持っている。

上記のような被覆燃料粒子の一般的なものは直径約５００〜１０００μｍである。被覆燃料粒子は黒鉛母材中に分散させ一定形状の燃料コンパクトの形に成型加工され、さらに黒鉛でできた筒にコンパクトを一定数量入れ、上下に栓をした燃料棒の形にされる。最終的に燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に入れられ、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム配列に複数段重ねて炉心を構成している。

一般的な被覆燃料粒子となる被覆前の燃料核は次のような工程で製造されており、大量形成が可能な方法として振動滴下によるゲル状の粒子を得る外部ゲル化法が多く用いられている。即ち、まず酸化ウランの粉末を硝酸に溶かし硝酸ウラニル原液とし、この硝酸ウラニル原液に純水、添加剤を加え撹拌することにより滴下原液とする。添加剤は、滴下された硝酸ウラニルの液滴が落下中に自身の表面張力により真球状になるようにする増粘剤であると同時にアンモニウムとの接触により原液をゲル化せしめるために添加されるものであり、例えばポリビニルアルコール樹脂、アルカリ条件下でゲル化する性質を持つ樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。

以上のように調製された滴下原液は所定の温度に冷却され粘度を調整した後、細径の滴下ノズルを振動させることによりアンモニア水溶液中に滴下される。アンモニア水溶液中へ液滴となって入った原液は、硝酸ウラニルがアンモニアと十分に反応させられると同時に前記添加剤がゲル化され、重ウラン酸アンモニウム（ＡＤＵ）を含むゲル状の粒子となる。得られたＡＤＵゲル粒子は、大気中で焙焼され、水分および添加剤が除去されて三酸化ウラン粒子となり、さらに還元・焼結されることにより高密度のセラミックス状二酸化ウランからなる球状の燃料核となる。

この燃料核を用いた被覆燃料粒子の製造は、流動床からなる反応装置を用いて行われている。例えば、燃料核を流動床の反応容器内に投入し、ガス導入管を介して反応容器の底部に設けられたガス導入ノズルから被覆原料ガスを噴出させて燃料核を流動させながら被覆原料ガスの熱分解により、原料分子を燃料核の表面に蒸着させることによって被覆層を形成する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、第１被覆層の低密度炭素層の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を熱分解して被覆を施し、第２および第４被覆層の高密度熱分解炭素層の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を熱分解して行う。第３被覆層のSiＣ層の場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ_３SiCl_３）を熱分解して被覆する。一般的な燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに中空円筒形または円筒形にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して得られる。

特開平５−２７３３７４号公報

燃料核に第１層から第４層まで連続被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置である流動床は、例えば図２に示すように、内部に燃料核が装荷される反応容器１０の底部１３に、各被覆層の原料ガスとして使用されるアセチレン、プロピレンやメチルトリクロシラン（以下、ＭＴＳと記す）と流動ガスとして使用されるアルゴンや水素を噴射供給するためのガス導入ノズル１１が容器底面の一部を構成するように設置されており、配管系２０から供給される各被覆原料ガスや流動ガスを反応容器底面上に形成されたノズル開口から反応容器内に噴射供給させるためのガス導入経路１２を備えたものである。

しかしながらこのガス導入ノズルにおいては、第３被覆層の製造工程で原料ＭＴＳの熱分解反応で生じる炭化珪素（ＳｉＣ）が、燃料核表面に被覆層を形成するための蒸着だけでなくノズル開口の周囲にも固着し、堆積物が生じていた。この堆積物は約３０μｍのＳｉＣ層形成工程の１回毎に約２ｍｍずつの高さに成長する。

このような堆積物を除去しないままのガス導入ノズルを使用して被覆燃料粒子の製造を繰り返すと、被覆原料ガスの流入経路が変化し、燃料核が反応容器内で正常に均一流動せず、目的とする良好な品質の被覆燃料粒子を得ることができない。

従って、第３被覆層の形成工程を行った度にガス導入ノズルを交換しなければならなかった。しかも、ノズル開口周辺にはＳｉＣ堆積物が非常に強固に固着しているため、堆積物を除去してからガス導入ノズルを再利用することもできなかった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、第３被覆層としてのＳｉＣ層の形成時に発生するノズル開口周りのＳｉＣ堆積物を容易に除去でき、ガス導入ノズルの再利用が可能となる高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルは、二酸化ウラン燃料核を収容した反応容器内に被覆原料ガスを噴出供給して燃料核を流動させながら加熱することにより被覆原料ガスの熱分解反応によって燃料核の表面を被覆原料分子の蒸着層で被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、前記反応容器の底部に嵌合されて反応容器底面中央部の少なくとも一部を構成する皿状ノズル本体と、該皿状ノズル本体を貫通して反応容器底面上の予め定められた位置に開口する複数のガス導入経路と、前記反応容器底部に嵌合状態にあるノズル本体の裏面側で反応容器外の被覆原料ガス供給源から反応容器まで延びるガス供給配管の端部に連通して前記ガス導入経路へ被覆原料ガスを供給する円筒状のガス流入口と、を備え、前記ノズル本体は、反応容器底面上のガス導入経路の開口周辺を含む所定領域に黒鉛コーティング層が形成されているものである。

請求項２に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルは、請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、前記黒鉛コーティング層は、１０μｍ以上、２０００μｍ以下の厚さであることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルは、請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、前記黒鉛コーティング層は、前記反応容器底面上に塗付された黒鉛粉末と結合剤との混合溶液の乾燥物からなるものである。

請求項４に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルは、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、前記結合剤は、ポリビニルアルコール、セルロース、エチルセルロースのうちの一つ以上の高分子樹脂化合物あるいはフェノール樹脂であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルは、請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、前記黒鉛コーティング層は、炭化水素化合物の熱分解化学蒸着物からなるものである。

本発明による高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいては、反応容器底面上のノズル開口周辺を含む領域に黒鉛コーティング層を備えたものであるため、第３被覆層としてのＳｉＣ層の形成時にノズル開口周辺にＳｉＣ堆積物が生じても、反応容器底面から黒鉛コーティング層を剥がすことによってＳｉＣ堆積物を除去することができるために、ＳｉＣ堆積物除去後のガス導入ノズルを再利用することができ、ガス導入ノズルをＳｉＣ層形成毎に破棄していた従来に比べて被覆燃料粒子の製造コストの低減を図ることができるという効果がある。

本発明は、二酸化ウラン燃料核を収容した反応容器内に被覆原料ガスを噴出供給して燃料核を流動させながら加熱することにより被覆原料ガスの熱分解反応よって燃料核の表面を被覆原料分子の蒸着層で被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置用ガス導入ノズルが、反応容器の底部に嵌合されて容器底面中央部の少なくとも一部を構成する皿状ノズル本体を有するものであり、該皿状ノズル本体を貫通して反応容器底面上の予め定められた位置に開口する複数のガス導入経路へ、ノズル本体の裏面側で反応容器外の被覆原料ガス供給源から反応容器まで延びるガス供給配管の端部に連通する円筒状のガス流入口から被覆原料ガスが供給されるものである。

本発明においては、上記の構成を備えたノズル本体の反応容器底面上のガス導入経路の開口周辺を含む所定領域に黒鉛コーティング層を設けたものである。従って、第３被覆層としてのＳｉＣ層の形成時に生じるＳｉＣ堆積物は、ノズル開口周辺の黒鉛コーティング層の上に固着することになるため、この黒鉛コーティング層を剥がすことによってＳｉＣ堆積物を同時に除去することができ、堆積物除去後のガス導入ノズルを再利用することができる。しかも黒鉛コーティング層は、金属ヘラや切削用砥石等を用いれば容易に剥がすことができ、除去作業も短時間で簡便に済むため、被覆燃料粒子の製造工程全体として、作業効率の向上とコスト低減が図れる。

なお、黒鉛コーティング層の厚さは、１０μｍ以上、２０００μｍ以下の範囲が好適である。この範囲の下限より薄い層では、被覆層形成工程中に容易に剥がれてしまうおそれがあり、また上限を超える厚みでは被覆原料ガスの噴出を阻害するおそれがあるためである。

黒鉛コーティング層の構成としては、黒鉛粉末を結合剤と共に混合した溶液をノズル本体の容器本体底面上の所定領域に塗布して乾燥させたものが簡便である。例えば、ポリビニールアルコールやセルロース、エチルセルロース等の高分子樹脂化合物を純水中に溶解した溶液中に黒鉛粉末を均一分散させて調整したスラリーをノズル本体の容器底面上の所定領域に均一に塗布した後、乾燥すれば、黒鉛コーティング層が得られる。

あるいは、黒鉛粉末とフェノール樹脂等の結合剤を均一混合した調整粉末をメタノールやエタノール等のアルコールに溶解し、ノズル本体の所定領域に均一塗布した後乾燥するという方法でも簡便に黒鉛コーティング層は得られる。

また、上記のような黒鉛粉末溶解液の塗付・乾燥による方法以外にも、炭素の化学蒸着によっても黒鉛コーティング層を形成することはできる。例えば、１２００〜１５００℃に加熱調整した炉内にノズル本体を入れ、その容器底面となる表面上にアセチレンやプロピレン等の炭化水素化合物を吹き付ければ、熱分解した炭素が化学蒸着して黒鉛コーティング層を得ることができる。もちろん、上記以外の方法でも、簡便に黒鉛コーティング層を形成できるものでれば広く採用可能である。

さらに、黒鉛コーティング層剥離によるＳｉＣ堆積物の除去の後に、ノズル本体に対して上記のような方法で新たに黒鉛コーティング層を形成することにより、新たな被覆燃料粒子の製造工程用に繰り返し利用することができる。

また、本発明によるガス導入ノズルでは、黒鉛コーティング層が形成されるノズル本体自体は従来と共通のものを用いることができるため、設置される反応容器との嵌合部や配管系との連結部等の装置側の設計変更も必要ない。

本発明の一実施例としてのガス導入ノズルを図１に示す。図１（ａ）は本実施例によるガス導入ノズル１を容器天井側からみた底面の平面図であり、（ｂ）は本ガス導入ノズル１の概略側断面図である。

本ガス導入ノズル１は、図２に示すような従来と同様の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置の流動床からなる反応容器１０の底部１３にその容器底面の一部中央領域を構成して嵌合されるように着脱可能に取り付けられるものである。

このガス導入ノズル１は、円形の皿状ノズル本体４とその裏面に装置外の被覆原料ガス供給源から延びるガス供給配管２０の端部側と連通する円筒状のガス流入口６とから主に構成されるものであり、皿状ノズル本体４は、中心軸が反応容器１０と同軸となるように容器底部１３に嵌合され、その嵌合状態において、容器底面と連続する凹曲面を有している。従って、皿状ノズル本体４の表面を含む反応容器１０の底面全体で椀状の凹曲面が形成されている。

また、皿状ノズル本体４には、図１（ｂ）に示すように、該本体を貫通する複数のガス導入経路５が円筒状のガス流入口６の中心軸位置から外周方向へ放射状に分岐するように形成されており、容器底面上の所定分散位置で開口している。これらのノズル開口２は、複数段の同心円周上に、流動ガスが反応容器内の中心から外周領域まで全体的に均一に噴射し、反応容器内で燃料核が良好に流動する位置に配置される。

さらに、本ガス導入ノズル１では、ノズル本体１の反応容器側表面全体に黒鉛コーティング層３が形成されている。これは、人造黒鉛８０％とフェノール樹脂２０％の割合で均一混合した粉末を、常温のメタノールに溶解して黒鉛塗布剤として調整し、この黒鉛塗布剤をノズル本体表面に刷毛等で均一に塗布した後、大気中で乾燥させることによって形成したものである。この黒鉛コーティング層３の厚みは５００μｍとした。

このように黒鉛コーティング層３を備えたガス導入ノズルを反応容器の底部に嵌合設置し、従来と同様に第１〜第４の被覆層を形成して被覆燃料粒子を製造した場合を以下に示す。まず、反応容器内に３８６０ｇの燃料核を投入し、まずは約１４００℃でアセチレンガスを供給することにより第１被覆層の低密度炭素層を形成し、次に約１４００℃でプロピレンガスを供給して第２被覆層の高密度熱分解炭素層を形成した後、約１６００℃でメチルトリクロロシランを供給して第３被覆層のＳｉＣ層を形成した。その後約１４００℃でプロピレンガスを供給して第４被覆層の高密度熱分解炭素層を形成して被覆燃料粒子を得た。

この被覆燃料粒子の第３被覆層のＳｉＣ層は、厚さが平均３０．２μｍであり、従来のガス導入ノズルを用いて製造した場合の被覆燃料粒子のＳｉＣ層と同等であった。また、他の被覆層も厚さや密度は従来のものと同等であった。上記のような被覆燃料粒子の製造工程一回行った後に反応容器底部から取り外した本実施例のガス導入ノズル１においてはノズル開口２の周辺に高さ２ｍｍのＳｉＣ堆積物が固着していたが、金属製ヘラを当てつけて黒鉛コーティング層３を剥離すると同時にそのＳｉＣ堆積物も容易に除去された。

以上のように黒鉛コーティング層３ごとＳｉＣ堆積物を除去した後のノズル本体３に対して、新たに前述の方法で厚さ５００μｍの黒鉛コーティング層３を形成し、再びそのガス導入ノズル１を反応容器に設置して新たに第１〜第４被覆層を形成して被覆燃料粒子の第２回目製造工程を行った。

このガス導入ノズル１の再利用で製造した被覆燃料粒子では、第３被覆層のＳｉＣ層は、厚さが平均３０．２μｍであり、ガス導入ノズル１の先の第１回目の使用時における被覆燃料粒子形成工程の場合と同等であった。またこの第２回目の製造工程で得られた被覆燃料粒子の他の被覆層に関しても、厚みや密度が第１回目の場合と同等であった。さらに第２回目製造工程においてノズル開口２の周辺に形成されていたＳｉＣ堆積物は第１回目と同様に容易に黒鉛コーティング層３と共に除去することができ、さらに回数を重ねてガス導入ノズル１を被覆燃料粒子の製造工程に使用することができた。

本発明の一実施例によるガス導入ノズルの概略構成図であり、（ａ）は本ガス導入ノズルの容器天井側からみた底面の平面図であり、（ｂ）は本ガス導入ノズルの概略側断面図である。 従来から用いられている流動床からなる反応容器を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置の概略構成図である

符号の説明

１：ガス導入ノズル
２：ノズル開口
３：黒鉛コーティング層
４：ノズル本体
５：ガス導入経路
６：ガス流入孔
１０：反応容器
１１：ガス導入ノズル
１２：ガス導入経路
１３：反応容器底部
２０：ガス供給配管

Claims (5)

1. 二酸化ウラン燃料核を収容した反応容器内に被覆原料ガスを噴出供給して燃料核を流動させながら加熱することにより被覆原料ガスの熱分解反応によって燃料核の表面を被覆原料分子の蒸着層で被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズルにおいて、
   前記反応容器の底部に嵌合されて反応容器底面中央部の少なくとも一部を構成する皿状ノズル本体と、該皿状ノズル本体を貫通して反応容器底面上の予め定められた位置に開口する複数のガス導入経路と、前記反応容器底部に嵌合状態にあるノズル本体の裏面側で反応容器外の被覆原料ガス供給源から反応容器まで延びるガス供給配管の端部に連通して前記ガス導入経路へ被覆原料ガスを供給する円筒状のガス流入口と、を備え、
   前記ノズル本体は、反応容器底面上のガス導入経路の開口周辺を含む所定領域に黒鉛コーティング層が形成されていることを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル。
2. 前記黒鉛コーティング層は、１０μｍ以上、２０００μｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル。
3. 前記黒鉛コーティング層は、前記反応容器底面上に塗付された黒鉛粉末と結合剤との混合溶液の乾燥物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル。
4. 前記結合剤は、ポリビニルアルコール、セルロース、エチルセルロースのうちの一つ以上の高分子樹脂化合物あるいはフェノール樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル。
5. 前記黒鉛コーティング層は、炭化水素化合物の熱分解化学蒸着物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のガス導入ノズル。
   

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